浙江大学が「ブラックテクノロジー」を開発、ミニ臓器の3Dプリントが夢ではなくなる！

3Dプリント技術の登場以来、科学者たちは魔法の手で絶えず革新を続けてきました。Antarctic Bearによると、最近、浙江大学機械工学部のHe Yong教授の研究チームが新しい生物学的3Dプリント方法を発明しました。この方法は、さまざまな種類の細胞を操作して特定の構造を持つ微小球を形成し、その後、生体活性微小組織に成長させることができます。これは、オルガノイドの体外再構築、より効率的な臓器チップの開発、より効果的な細胞療法の実施に効果的な方法を提供します。

関連論文「マイクロ流体ノズルによるヒト異種微小球状オルガノイドの気流支援 3D バイオプリンティング」が最近、WILLY のタイトルで SMALL 誌の表紙記事として出版されました。責任著者は、機械工学学院のHe Yong教授、Fu Jianzhong教授、基礎医学学院のOuyang Hongwei教授です。

課題 - 生体組織の構造解析<br /> もしも人間が人間の「部品」を自由に製造できるようになれば、臓器の交換は電池の交換と同じくらい簡単になり、臓器移植の供給源の問題もなくなるだろう。しかし、生体臓器の 3D プリントを真に実現するには、まだ長い道のりが残っています。 3Dプリントの「初期段階」では、人間は歯や骨など比較的単純な組織構造の部品を正確に印刷し、臨床に応用することができました。頭蓋骨を損傷した患者は、3Dプリントされた頭蓋骨を使って整形手術を受けることもできます。印刷対象を人体のあらゆる「部位」に拡大しようとすると、課題はさらに大きくなります。

まず、人工臓器が人体の機械的環境に適応でき、硬すぎたり柔らかすぎたり、崩壊したりしないことを保証する必要があります。次に、臓器は生き残り、特定の機能を実行できなければなりません。たとえば、3D プリントされた心臓の「モデル」はすでに多数存在しますが、これまでのところ、実際の 3D プリントされた心臓が生体内に移植されることは成功していません。「まずは生体活性マイクロ組織を印刷するという小さな目標を達成してみましょう」とHe Yong氏は語った。

自然の生物組織は私たちが想像するよりも複雑です。例えば、血管は線維芽細胞、平滑筋細胞、内皮細胞などから構成される複雑な構造です。平滑筋は血管の弾力性を維持し、内皮細胞は成長因子を分泌して血液凝固を防ぎます。「血管を『印刷』したい場合、特定の構造を形成するために異なる細胞を一緒に印刷する必要があります」とHe Yong氏は語った。研究チームは3年前に実験を開始した。

呼吸を頼りにカタツムリの殻の中にお寺を建てる 科学者たちはさまざまな細胞をハイドロゲルで包んで「バイオインク」を作り、マイクロ流体チップのノズルの制御下で、多成分の細胞液滴を少しずつ「吐き出す」。

「この機械を使って、血管が発達した骨組織を『印刷』した」何勇氏は、初めて骨髄間葉系幹細胞とヒト臍帯静脈内皮細胞を混ぜた2種類の『バイオインク』を使い、らせん状の微小球を同時に印刷したと語った。その中で、骨髄間葉系幹細胞は骨芽細胞への分化を誘導することができ、内皮細胞は血管新生細胞を形成します。数日間の研究室培養の後、らせん状の血管が発達した骨形成オルガノイドが形成されました。

この方法を使用して、研究室では、直径約200ミクロンのバラの形、らせん状の微小球、太極拳などの粒子も作成しました。つまり、細胞を操作して、特定の「構成」を自由に形成できるのです。

「バイオインク」の成分の一つであるハイドロゲルは、よく知られた「柔らかい」物質です。このような柔らかい素材を精密に制御するのは、非常に困難な課題です。研究チームは突風を利用してこの問題を巧みに解決しました。微小気流の吹き付けにより、ノズルから噴射された液滴はすぐに落下するのではなく、回転します。このとき、数学モデルに従って生物インクのさまざまな成分の下降方向を制御することで、精巧な3次元構造を形成できます。このプロセスは、回転するケーキ型をデコレーションするのに少し似ており、さまざまな細胞が特定の 3 次元の「形状」を形成できるようにします。

「この技術の精度は単一細胞の解像度に達することができる」と何勇氏は語った。既存のバイオ製造方法と比較すると、その特徴は、初めて小さな空間で三次元構造を制御可能に成形することに成功したことであり、複雑なオルガノイドの体外再構築に新たなアイデアを提供している。

臓器チップや細胞治療への応用が期待されている。He Yong氏は「薬物スクリーニング用の活性ミニ生物組織や臓器チップを構築できる」と語った。もう1つの用途は細胞治療である。現在の細胞療法の大きな問題点は、直接注入された細胞が体内の免疫細胞に容易に取り込まれてしまうため、特定の病気にしか効果がないという点です。「特定の機能を持つ細胞ミクロスフェアを印刷できるかもしれない。細胞は食べられることを恐れることなく血管内を一緒に移動でき、目的地に到着するとすぐに効果を発揮できる」と何勇氏は語った。

浙江大学の生物学研究教授は、この研究は医学的に大きな意義があると考えている。人間の技術では現在、幹細胞を通じてさまざまな種類の細胞を培養できるが、次にはこれらの細胞に特定の組織構造を形成させる必要があるからだ。「生物の中で細胞が互いにつながる方法は多種多様です。すべて同じではありません。したがって、細胞をさまざまなレベル、組織、さらには臓器に形成させる方法は非常に重要なテーマです。」

出典：浙江大学

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